Los investigadores rastrean el viaje de los granos de polvo a través del sistema solar recién nacido

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Arizona ha reconstruido detalles sin precedentes de la historia de un grano de polvo que se formó durante el nacimiento del sistema solar hace más de 4.500 millones de años. Los resultados proporcionan información sobre los procesos fundamentales que subyacen a la formación de los sistemas planetarios, muchos de los cuales permanecen envueltos en un misterio.

Para el estudio, el equipo desarrolló un nuevo tipo de marco, que combina la mecánica cuántica y la termodinámica, para simular las condiciones que experimentaron los granos durante su formación, cuando el sistema solar era un disco giratorio de gas y polvo conocido como protoplanetas. disco o nebulosa solar. Al comparar las predicciones del modelo con un análisis muy detallado de la composición química y la estructura cristalina de la muestra, junto con un modelo de cómo se transporta la materia en la nebulosa solar, se revelaron pistas sobre el vuelo del grano y las condiciones ambientales que le dieron forma a lo largo del camino. .

Los granos analizados en el estudio son una de varias inclusiones, conocidas como inclusiones ricas en calcio y aluminio, o CAI, que se descubrieron en una muestra del meteorito Allende, que cayó sobre el estado mexicano de Chihuahua en 1969. Se cree que son estar entre los primeros sólidos en formarse en el sistema solar hace más de 4.500 millones de años.

De manera similar a la forma en que los sellos en un pasaporte cuentan una historia sobre el viaje de un viajero y las paradas en el camino, las estructuras precisas y a escala atómica de las muestras abren un registro de su historia de formación, que fue controlada por los entornos colectivos a los que estuvieron expuestos. . .

«Hasta donde sabemos, nuestro artículo es el primero en contar la historia del origen que proporciona pistas sobre posibles procesos que ocurrieron en la escala de distancia astronómica con lo que vemos en nuestra muestra en la escala de distancia atómica», dijo Tom Zega. , quien es profesor en el Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona y primer autor del artículo de investigación, que fue publicado en Revista de ciencia planetaria.

Zega y su equipo analizaron la composición de las impurezas incrustadas en el meteorito utilizando microscopios electrónicos de barrido de resolución atómica avanzada, uno en la Instalación de Caracterización e Imágenes de Materiales de Kuiper en Arizona, y su microscopio hermano ubicado en la planta de Hitachi en Hitachinaka, Japón.

Los elementos incluidos se encuentran principalmente en tipos de minerales conocidos como espinela y perovskita, que también se encuentran en las rocas de la Tierra y se están estudiando como materiales candidatos para aplicaciones como la microelectrónica y la energía fotovoltaica.

Tipos similares de sólidos ocurren en otros tipos de meteoritos conocidos como condritas carbonáceas, que son particularmente interesantes para los científicos planetarios, ya que se sabe que son restos de la formación del Sistema Solar y contienen moléculas orgánicas, incluidas aquellas que pueden proporcionar materias primas para la vida. .

El análisis cuidadoso de la disposición espacial de los átomos permitió al equipo estudiar la composición de las estructuras cristalinas básicas con gran detalle. Para sorpresa del equipo, algunos de los hallazgos estaban en desacuerdo con las teorías actuales sobre los procesos físicos que se cree que están activos dentro de los discos protoplanetarios, lo que los llevó a profundizar más.

«Nuestro desafío es que no sabemos qué vías químicas llevaron a estas inclusiones», dijo Zigga. «La naturaleza es nuestro vaso de laboratorio, y este experimento ocurrió miles de millones de años antes de que existiéramos, en un entorno totalmente extraño».

Ziga dijo que el equipo se propuso realizar «ingeniería inversa» en la composición de muestras extraterrestres mediante el diseño de nuevos modelos que simulan los complejos procesos químicos, que las muestras experimentarían dentro de un disco protoplanetario.

«Modelos como este requieren una estrecha convergencia de experiencia que abarque los campos de la ciencia planetaria, la ciencia de los materiales, la ciencia mineral y la microscopía, que es lo que nos propusimos hacer», agregó Krishna Muralidaran, coautor del estudio y profesor asociado en el Universidad de Arizona. Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

Con base en los datos que los autores pudieron extraer de sus muestras, llegaron a la conclusión de que la partícula se formó en una región del disco protoplanetario no muy lejos de donde está ahora la Tierra, y luego hizo un viaje más cerca del Sol, donde la atmósfera estaba gradualmente. más caliente, solo para revertir el curso más tarde y lavar en más partes. Refrescar lejos del sol joven. Finalmente, se fusionó en un asteroide, que luego se hizo añicos. Algunas de estas piezas fueron recogidas por la gravedad de la Tierra y cayeron como meteoritos.

Este estudio fue muestreado dentro de un meteorito y se considera primitivo, en otras palabras, no se ve afectado por las influencias ambientales. Se cree que este material primordial no ha sufrido ningún cambio significativo desde que se formó por primera vez hace más de 4.500 millones de años, lo que es raro. Todavía tenemos que ver si hay objetos similares que ocurrieron en el asteroide Bennu, muestras de los cuales serán devueltas a la Tierra por la misión OSIRIS-REx liderada por UArizona en 2023. Hasta entonces, los científicos confían en muestras que caen a la Tierra a través de meteoritos.

«Este material es el único registro que tenemos de lo que sucedió hace 4.567 mil millones de años en la nebulosa solar», dijo Venkat Manga, coautor del artículo y profesor asistente de investigación en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Arizona. «Poder observar la microestructura de nuestra muestra a diferentes escalas, hasta la longitud de los átomos individuales, es como abrir un libro».

Los autores dijeron que estudios como este podrían acercar a los científicos planetarios un paso más hacia un «modelo masivo de formación de planetas»: una comprensión detallada de la materia que se mueve alrededor del disco, sus componentes y cómo da origen al sol. y planetas.

Potentes radiotelescopios como el Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array, o ALMA, en Chile, ahora permiten a los astrónomos ver los sistemas estelares a medida que evolucionan, dijo Ziga.

«Quizás en algún momento podamos mirar los discos de última generación, y luego realmente podamos comparar nuestros datos entre disciplinas y comenzar a responder algunas de estas preguntas realmente importantes», dijo Zigga. «¿Se forman estas partículas de polvo donde creemos que ocurrieron en nuestro sistema solar? ¿Son comunes a todos los sistemas estelares? ¿Deberíamos esperar el patrón que vemos en nuestro sistema solar – planetas rocosos cerca de la estrella central y gigantes gaseosos distantes – en todos sistemas? «

«Es un momento realmente divertido para ser científico cuando estos campos se desarrollan tan rápidamente», agregó. «Es fantástico estar en una institución donde los investigadores pueden formar una colaboración interdisciplinaria entre los principales departamentos de astronomía, ciencia planetaria y de materiales de la misma universidad».

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El estudio fue coautor de Fred Sesla de la Universidad de Chicago y Kitaro Watanabe e Hiromi Inada, ambos del Grupo de Negocios de Soluciones de Nanotecnología en Hitachi High Tech en Japón.

El financiamiento fue proporcionado por el Programa de Mundos Emergentes de la NASA; Programa de activos de la NASA; y la Red de Coordinación de Investigación Nexus for Exoplane System Science (NExSS) de la NASA, patrocinada por la Dirección de Misiones Científicas de la NASA. La NASA y la National Science Foundation proporcionaron fondos para los instrumentos en la instalación de caracterización y obtención de imágenes de materiales de Kuiper de LPL.